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换热器管板变形原因及工艺改善刘兵

发表时间：2020/9/8 来源：《基层建设》2020年第11期作者：刘兵

[导读] 摘要：压力容器属于危险性比较高的一类物品，很容易出现燃烧起火、爆炸等情况，对相关人员和单位造成一定的经济损失和伤害。

        麦克维尔空调制冷（武汉）有限公司湖北武汉 430056
        摘要：压力容器属于危险性比较高的一类物品，很容易出现燃烧起火、爆炸等情况，对相关人员和单位造成一定的经济损失和伤害。在压力容器在压力容器制造中，换热器管板的直径与筒体的板厚之比往往很大，这样在焊接过程中就不可避免的产生管板密封面的变形。变形严重时，将直接影响密封效果，造成的严重后果会使管板局部范围变形较大，最终使管板密封面失效。因此，需采用合理的制造工艺，防止管板密封面产生较大的变形，是换热器制造过程不可忽视的内容。本文详细介绍了换热器管板变形的原因，主要是管板与筒体焊接过程产生的变形，提出了防变形的工艺对策。
        关键词：换热器；管板；防变形；工艺对策
        一.管板与筒体变形的主要原因
        管板焊接变形的原因主要表现在两个方面。一是主要是由于筒体与管板焊接的横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布引起的；管板与筒体的焊缝一般为单面单边V型坡口，焊接时焊缝的背面和正面的熔敷金属的填充量不一致，造成了构件平面的偏转，所以这种变形在客观上是绝对存在的；二是管板与筒体焊接角变形主要由两种变形组成，即筒体与管板角度变化和管板本身的角变形，前者相当于两个工件对接焊接引起的角变形，后者相当于在管板上堆焊时引起的角变形。而焊接变形的大小的主要取决于管板的刚性、焊接线能量、坡口角度、焊缝截面形状、熔敷金属填充量焊接操作等因素有关。根据管板变形的原因及影响因素，由于管板焊接不能实现双面焊，焊接时电流过大会引起烧穿伤及换热管，所以管板与壳体的焊接应考虑减少管板受热和提高管板刚性以减少变形。
        二、控制管板变形的主体要方法
        1、管板和筒体的焊接次序
        在对筒体和管板进行焊接时，要先从焊接管板0°，90°。180°，270°四个位置进行定位焊接，焊接长度不得少于200mm，定位焊接完实行对称焊接，焊接完一定长度后，转180进行另外位置焊接，依次进行。
        2、防变形工装的使用
        在对压力容器管板进行焊接的过程中，常用的辅助方法有是为了防止形变，可以使用一个刚性比较高的零件进行固定，比如根据管板规格加装一个与管板厚度相当的防变形板进行刚性固定，使管板在焊接过程中难以进行收缩变形。
        3、坡口角度
        由于坡口角度及施焊截面形状对对焊接工作量影响很大，坡口角度越大，焊接填充金属使用越多，焊接量越大，这样引起的管板局部变形差别越大，因此在保证焊接质量及性能的前提下，坡口角度应尽量小。
        4、合理选择焊接规范
        通过选用合理的焊接线能量，在不用任何反变形或工装夹具的情况下同样可以克服焊接变形，在进行管板焊接时，应尽量采用较小的焊接参数施焊，控制层间温度，在层间温度降到100℃以下再进行后一层焊道的焊接，避免局部过热引起热变形。一般在焊接管板与筒体时，在用熔化极气体保护焊打底时采用小电流焊接，可以有效控制焊接热输入，待打底焊完成后，可以采用较大的焊接电流，由两名焊工进行对称焊接，直至焊完。这样既可以控制焊接变形量，又能提高管板与筒体之间的装焊效率。
        5、焊接顺序
        采用对称施焊，如果对于有色金属板对接的焊接，应采用直线运枪的方法，不得横向摆动，焊接管板与筒体。管板与筒体焊接，在保证筒体坡口侧焊透的条件下，采用打底后水平压道焊，即电弧直指壳体，在壳体上一层一道进行水平压道完成管板角焊缝的焊接，不得直接在管板与壳体进行45°斜角焊，每层焊缝应分段对称进行，每层焊缝应错开180度，两端各焊一层，交替操作，直至焊完。
        6、合理选择焊缝尺寸
        在保证接头承载能力的条件下，设计应该尽量采用较小的焊缝尺寸，尽量减小焊角高度。压力容器标准GB150规定，管板与筒体属于C类焊缝，对于该类焊缝，焊接后在全焊透的前提下只需保证焊脚高度尺寸不低于筒体与管板的较小值，一般情况下，筒体厚度不会超过管板厚度，焊脚尺寸大于筒体厚度。

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        7、对压力容器管板的焊接层数进行控制
        在对压力容器管板进行焊接的过程中，角变形情况和焊接的层数有密切的联系，焊接层数越高，变形就越大，所以在焊接压力容器管板的过程中，要控制好焊接的层数，尽可能的降低焊接层数，可采用立向上焊的焊接位置。
        三、案例分享
        某工厂在焊接管板与筒体时候，采用了工装夹具的形式进行管板变形控制，考虑到焊后焊缝温度降至室温需要一段时间，因此在焊缝降至室温拆除工装，确可以控制管板的焊接变形，但是工装拆除时间较长，影响了生产效率。
        为了提高生产效率，该工厂派相应工艺人员进行了工艺试验验证，具体步骤如下：
        1、实验目的
        （1）证明管板变形量与防变形工装拆除时间成反比关系
        （2）通过试验，从工艺角度给出管板焊后防变形工装拆除的最佳时间
        2、实验过程描述
        在生产线选择固定厚度的管板容器，如管板厚度为32mm，选择40个管板的变形量进行对比，同时该管板的工艺变形量不得超过3mm，具体步骤如下
        （1）先将管板与筒体定位焊后，再管板背面加装一个有3mm凸面的防变形板，防变形板的厚度不得小于管板厚度，（其原理是加强了管板的刚性，减小管板在焊接过程中由于收缩引起的变形）然后用管板自动焊专机进行打底焊，填充，盖面，直至焊脚达到产品设计要求。
        （2）按该厂工艺要求，焊接完成后1.5h拆除防变形板，然后用水平尺和卡尺测量管板的焊接变形量，分别在两条对角线位置测两个值，选择10个管板进行数据分析焊接完成后马上拆除防变形工装。
        （3）按以上步骤焊接完成后1h后拆除防变形板，然后用水平尺和卡尺测量管板的焊接变形量，分别在两条对角线位置测两个值，选择10个管板进行数据分析焊接完成后马上拆除防变形工装。
        （4）按以上步骤焊接完成后0.5h后拆除防变形板，然后用水平尺和卡尺测量管板的焊接变形量，分别在两条对角线位置测两个值，选择10个管板进行数据分析焊接完成后马上拆除防变形工装。
        （5）按以上步骤焊接完成后0h后马上拆除防变形工装，然后用水平尺和卡尺测量管板的焊接变形量，分别在两条对角线位置测两个值，选择10个管板进行数据分析焊接完成后马上拆除防变形工装。
        （6）记录焊接过程中的焊接参数以及管板变形量，然后进行横向数据分析。
        3、实验结果分析
        根据试验结果可得出两点：1、管板变形量在这四个时间段的变形量均合格。2、在管板厚度为32mm时，管板变形量与防变形板拆除时间成反比，到1h后变形量几乎不发生变化。
        4、实验结论
        对于该工厂32mm厚管板的容器，管板焊接完成后马上拆除防变形板可以满足工艺要求。另注：若工艺要求提高，可根据具体情况延长工装拆除时间。
        5、实验总结
        通过此次项目活动的开展，基本确定了板厚32mm管板防变形工装拆除的时间，对于目前产品管板变形量的要求，管板焊接完成后即刻拆除防变形工装符合要求。之后仍可不断努力，将其余规格的管板拆除防变形的工装时间加以确定。
        四、结束语
        本为主要是对换热器管板与筒体的焊接变形原因及降低焊接变形控制方法做了简单介绍，以上提出方法并不可以涵盖全部。实际制造过程时候，应根据各个工厂的实际情况进行调整，以找到最佳的管板变形的控制方法。
        参考文献：
        [1]朱日良.管壳式换热器管板与换热管焊接常见质量问题的防止[J]化工设备与管道， 2005
        [2]陈楚.数值分析在焊接工的应用 [M].上海交通大学出版社，1985
        [3]武传松.焊接热过程数值分析[M].哈尔滨工业大学出版社，1990